CN104088625A - 煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，它包括现场主机、钻杆、第一无磁钻杆、第二无磁钻杆、第三无磁钻杆、钻头、钻机、设置在第二无磁钻杆中的探头、第一应力波信号发射器和第一应力波信号接收器，现场主机连接第一应力波信号发射器和第一应力波信号接收器；探头包括探头壳体、设置在探头壳体内的第二应力波信号发射器、第二应力波信号发射器驱动模块、第二应力波信号接收器、第二应力波信号处理模块、单片机和三维罗盘，第一应力波信号发射器与第二应力波信号接收器无线通信，第一应力波信号接收器与第二应力波信号发射器无线通信。本发明可在钻孔钻进过程中进行随钻钻孔方向、倾角和孔深的测量。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下钻孔随钻测量技术领域，具体地指一种煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置及方法。
背景技术
煤矿井下钻孔轨迹和孔深测量是煤矿探放水孔(用于探测前方有无隐藏的水体，若有就抽放出来)和抽瓦斯孔施工质量检查的重要工作，是保障煤矿安全的重要手段。传统的钻孔轨迹测量是等钻孔钻好后，拔出钻杆，再将轨迹测量探头推入孔中，但由于煤矿都是软岩，极易塌孔堵塞，致使测量探头不能推进，造成钻孔轨迹无法测量。传统的钻孔深度检测方式是利用拔钻杆时数钻杆数量来计算钻孔的深度，而对于较深的孔需要钻孔的时间较长，技术人员往往容易遗忘放入钻孔中的钻杆的个数，造成钻孔深度无法准确获得。一些采用定向钻机进行钻孔的煤矿，虽然可以实现钻孔轨迹随钻测量，但定向钻机价格昂贵，还需配合使用专用的通缆钻杆，同时也不能进行钻孔深度测量，因此，定向钻机也无法在煤矿广泛推广应用。另外，石油钻井用的泥浆液传递测井技术，因煤矿井下钻孔均为水平孔或倾角较小的孔而无法应用。
参考文献：《检测技术及钻井仪表》P198页2009年、中国地质大学出版社，鄢泰宁著，介绍了上述随钻测量技术。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置及方法，该设备和方法可对煤矿井下探放水孔、瓦斯抽放孔和地质孔等，在钻孔钻进过程中进行随钻钻孔方向、倾角和孔 深的测量。
为实现此目的，本发明所设计的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：它包括现场主机、钻杆、第一无磁钻杆、第二无磁钻杆、第三无磁钻杆、钻头、驱动钻杆的钻机、设置在第二无磁钻杆中的探头、设置在钻杆尾端的第一应力波信号发射器和第一应力波信号接收器，其中，所述第一无磁钻杆的尾端与钻杆的头端螺纹连接，第二无磁钻杆的尾端与第一无磁钻杆的头端螺纹连接，第三无磁钻杆的尾端与第二无磁钻杆的头端螺纹连接，三无磁钻杆的头端设有钻头，所述现场主机的信号输出端连接第一应力波信号发射器的信号输入端，现场主机的信号输入端连接第一应力波信号接收器的信号输出端；
所述探头包括探头壳体、设置在探头壳体内的第二应力波信号发射器、第二应力波信号发射器驱动模块、第二应力波信号接收器、第二应力波信号处理模块、单片机和三维罗盘，三维罗盘的数据通信端连接单片机的数据通信端，单片机的信号输出端通过第二应力波信号发射器驱动模块连接第二应力波信号发射器的控制信号通信端，单片机的信号输入端通过第二应力波信号处理模块连接第二应力波信号接收器的控制信号通信端；
所述第一应力波信号发射器能与第二应力波信号接收器之间进行无线通信，第一应力波信号接收器能与第二应力波信号发射器之间进行无线通信。
一种利用上述煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置进行随钻轨迹和孔深测量的方法，它包括如下步骤：
步骤1：控制由钻杆、第一无磁钻杆、第二无磁钻杆、第三无磁钻杆和钻头构成的钻孔机构在钻孔内钻进一个深度；
步骤2：现场主机通过第一应力波信号发射器向所述钻孔机构发射应力波信号；
步骤3：探头的第二应力波信号接收器接收上述应力波信号，并 将该应力波信号发送到探头的第二应力波信号处理模块，第二应力波信号处理模块对该应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的应力波数字信号传送给探头的单片机，单片机接收到应力波数字信号后，控制探头的三维罗盘工作；
步骤4：所述三维罗盘感应得到此时钻孔的方向和倾角数据，并将该方向和倾角数据返回给单片机；
步骤5：单片机将此时钻孔的方向和倾角数据编码入反馈应力波信号中，并依次通过第二应力波信号发射器驱动模块和第二应力波信号发射器向第一应力波信号接收器发射；
步骤6：所述第一应力波信号接收器接收到上述反馈应力波信号，并将该反馈应力波信号发送到现场主机的第一应力波信号处理模块，第一应力波信号处理模块对该反馈应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的反馈应力波数字信号传送给现场主机的中央处理器；
步骤7：现场主机的中央处理器从反馈应力波数字中解码出钻孔的方向和倾角数据，现场主机的中央处理器通过第二应力波信号发射器发射反馈应力波信号与第一应力波信号接收器接收反馈应力波信号的时间之差，求出第一应力波信号接收器与第二应力波信号发射器之间的距离，所述第一应力波信号接收器与第二应力波信号发射器之间的距离加上第二无磁钻杆和第三无磁钻杆以及钻头的长度再减去位于钻孔外的钻杆尾部的长度，即得到了钻孔的深度；
步骤8：现场主机的中央处理器将上述得到的钻孔的方向和倾角数据以及钻孔的深度发送给现场主机的人机交互设备进行显示；
步骤9：随着钻孔不断钻进的过程中，每隔一定深度距离重复步骤2至步骤8的操作，现场主机的中央处理器通过不同孔深对应的钻孔的方向和倾角数据得到钻孔过程中的钻孔轨迹和实时孔深；
步骤10：现场主机的中央处理器将钻孔过程中的钻孔轨迹和实时孔深发送给现场主机的人机交互设备进行显示。
应用本发明可以实现煤矿井下钻孔在钻进过程中对钻孔的轨迹和深度进行随钻测量相比于现有的煤矿井下钻孔轨迹和孔深测量设备及方法，本发明的有益效果主要表现在：
(1)采用本发明，将探头安装于钻孔钻进的无磁钻杆中，可实现实时钻孔的轨迹和深度的同时测量，对普通钻机和钻杆的结构无任何改变。同时，不存在背景技术中指出的传统煤矿井下钻孔轨迹测量方法会出现的塌孔问题。并且本发明与专业的定向钻机相比具有结构简单，测量成本较低的优点，且还能进行专业定向钻机不能测量的钻孔深度测量。
(2)本发明实现了钻孔深度的实时测量，克服了传统靠读取钻杆数量来计量钻孔孔深时，由钻杆数量读取不准确所造成的孔深测量结果不准确的问题。利用本发明准确得到钻孔的轨迹和深度，有利于技术人员准确掌握钻孔的施工质量和要求是否达到设计要求，为煤矿的安全管理提供保障。
(3)采用本发明可以实现现场主机探测时实时显示测量结果，自动分析成图并进行预报，无需复杂的人工数据分析和处理阶段。因此，本发明的装置具备可操作性、有效性和实用性等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中现场主机、第一应力波信号发射器和第一应力波信号接收器部分的结构框图；
图3为本发明中探头的结构框图；
其中，1—现场主机、1.1—系统总线、1.2—中央处理器、1.3—存储器、1.4—人机交互设备、1.5—USB通信接口、1.6—第一应力波信号发射器驱动模块、1.7—第一应力波信号处理模块、2—探头、2.1—探头壳体、2.2—第二应力波信号发射器、2.3—第二应力波信号发射器驱动模块、2.4—第二应力波信号接收器、2.5—第二应力波信 号处理模块、2.6—单片机、2.7—三维罗盘、3—钻杆、4—第一应力波信号发射器、5—第一应力波信号接收器、6—第一无磁钻杆、7—钻机、8—钻孔、9—第二无磁钻杆、10—第三无磁钻杆、11—钻头。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1～3所示的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，它包括现场主机1、钻杆3、第一无磁钻杆6、第二无磁钻杆9、第三无磁钻杆10、钻头11、驱动钻杆3的钻机7、设置在第二无磁钻杆9中的探头2、设置在钻杆3尾端的第一应力波信号发射器4和第一应力波信号接收器5，其中，所述第一无磁钻杆6的尾端与钻杆3的头端螺纹连接，第二无磁钻杆9的尾端与第一无磁钻杆6的头端螺纹连接，第三无磁钻杆10的尾端与第二无磁钻杆9的头端螺纹连接，三无磁钻杆10的头端设有钻头11，所述现场主机1的信号输出端连接第一应力波信号发射器4的信号输入端，现场主机1的信号输入端连接第一应力波信号接收器5的信号输出端；
所述探头2包括探头壳体2.1、设置在探头壳体2.1内的第二应力波信号发射器2.2、第二应力波信号发射器驱动模块2.3、第二应力波信号接收器2.4、第二应力波信号处理模块2.5、单片机2.6和三维罗盘2.7，三维罗盘2.7的数据通信端连接单片机2.6的数据通信端，单片机2.6的信号输出端通过第二应力波信号发射器驱动模块2.3连接第二应力波信号发射器2.2的控制信号通信端，单片机2.6的信号输入端通过第二应力波信号处理模块2.5连接第二应力波信号接收器2.4的控制信号通信端，上述三维罗盘2.7用于感应钻孔8的方向和倾角数据；
所述第一应力波信号发射器4能与第二应力波信号接收器2.4之间进行无线通信(传递应力信号)，第一应力波信号接收器5能与第二应力波信号发射器2.2之间进行无线通信(传递反馈应力波信 号)。
上述技术方案中，第一无磁钻杆6和第三无磁钻杆10分别用于隔离钻杆3和钻头11的铁磁场干扰，减小探头2内发射和接收的信号受到的干扰。所述第一无磁钻杆6和第三无磁钻杆10选用钛合金或铜等无磁材料制成。
上述技术方案中，所述现场主机1包括系统总线1.1、中央处理器1.2、存储器1.3、人机交互设备1.4、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)通信接口1.5、第一应力波信号发射器驱动模块1.6和第一应力波信号处理模块1.7，其中，所述中央处理器1.2、存储器1.3、人机交互设备1.4、USB通信接口1.5、第一应力波信号发射器驱动模块1.6和第一应力波信号处理模块1.7的数据通信端分别接入系统总线1.1，第一应力波信号发射器驱动模块1.6的信号输出端为现场主机1的信号输出端，第一应力波信号处理模块1.7的信号输入端为现场主机1的信号输入端。上述人机交互设备1.4包括触摸屏、显示屏和光电旋钮(相当于电脑鼠标)。上述存储器1.3用于将得到的钻孔8的方向和倾角数据以及钻孔的轨迹和实时孔深数据进行存储。上述USB通信接口1.5用于实现本发明的现场主机1与外围设备之间的数据通信。
上述技术方案中，所述第一应力波信号发射器4的信号输出端朝向钻杆3的头端设置，第一应力波信号接收器5的信号接收端也朝向钻杆3的头端设置，所述第二应力波信号发射器2.2的信号输出端朝向钻杆3的尾端设置，第二应力波信号接收器2.4的信号接收端也朝向钻杆3的尾端设置。
上述技术方案中，所述探头壳体2.1外壁与第二无磁钻杆9内壁固定连接。保证探头2与第二无磁钻杆9同步运动。
上述技术方案中，所述第一应力波信号处理模块1.7和第二应力波信号处理模块2.5用于对应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理。
上述技术方案中，所述第二应力波信号发射器2.2和第二应力波信号接收器2.4均位于第二无磁钻杆9的尾端。
上述技术方案中，第一应力波信号发射器4和第二应力波信号接收器2.4均由超磁致伸缩材料做成，它能发射出较大功率的应力波。
上述技术方案中所述的各个设备本身均为成熟的现有设备。
一种利用上述煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置进行随钻轨迹和孔深测量的方法，它包括如下步骤：
步骤1：控制由钻杆3、第一无磁钻杆6、第二无磁钻杆9、第三无磁钻杆10和钻头11构成的钻孔机构在钻孔8(该钻孔8可以为煤矿井下探放水孔或瓦斯抽放孔或地质孔)内钻进一个深度；
步骤2：现场主机1通过第一应力波信号发射器4向所述钻孔机构发射应力波信号；
步骤3：探头2的第二应力波信号接收器2.4接收上述应力波信号，并将该应力波信号发送到探头2的第二应力波信号处理模块2.5，第二应力波信号处理模块2.5对该应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的应力波数字信号传送给探头2的单片机2.6，单片机2.6接收到应力波数字信号后，控制探头2的三维罗盘2.7工作；
步骤4：所述三维罗盘2.7感应得到此时钻孔8的方向和倾角数据，并将该方向和倾角数据返回给单片机2.6；
步骤5：单片机2.6将此时钻孔8的方向和倾角数据编码入反馈应力波信号中，并依次通过第二应力波信号发射器驱动模块2.3和第二应力波信号发射器2.2向第一应力波信号接收器5发射；
步骤6：所述第一应力波信号接收器5接收到上述反馈应力波信号，并将该反馈应力波信号发送到现场主机1的第一应力波信号处理模块1.7，第一应力波信号处理模块1.7对该反馈应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的反馈应力波数字信号传 送给现场主机1的中央处理器1.2；
步骤7：现场主机1的中央处理器1.2从反馈应力波数字中解码出钻孔8的方向和倾角数据，现场主机1的中央处理器1.2通过第二应力波信号发射器2.2发射反馈应力波信号与第一应力波信号接收器5接收反馈应力波信号的时间之差，求出第一应力波信号接收器5与第二应力波信号发射器2.2之间的距离，所述第一应力波信号接收器5与第二应力波信号发射器2.2之间的距离加上第二无磁钻杆9和第三无磁钻杆10以及钻头11的长度再减去位于钻孔8外的钻杆3尾部的长度，即得到了钻孔8的深度；
步骤8：现场主机1的中央处理器1.2将上述得到的钻孔8的方向和倾角数据以及钻孔8的深度发送给现场主机1的人机交互设备1.4进行显示；
步骤9：随着钻孔8不断钻进的过程中，每隔一定深度距离重复步骤2至步骤8的操作，现场主机1的中央处理器1.2通过不同孔深对应的钻孔8的方向和倾角数据得到钻孔过程中的钻孔轨迹和实时孔深；
步骤10：现场主机1的中央处理器1.2将钻孔过程中的钻孔轨迹和实时孔深发送给现场主机1的人机交互设备1.4进行显示。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：它包括现场主机(1)、钻杆(3)、第一无磁钻杆(6)、第二无磁钻杆(9)、第三无磁钻杆(10)、钻头(11)、驱动钻杆(3)的钻机(7)、设置在第二无磁钻杆(9)中的探头(2)、设置在钻杆(3)尾端的第一应力波信号发射器(4)和第一应力波信号接收器(5)，其中，所述第一无磁钻杆(6)的尾端与钻杆(3)的头端螺纹连接，第二无磁钻杆(9)的尾端与第一无磁钻杆(6)的头端螺纹连接，第三无磁钻杆(10)的尾端与第二无磁钻杆(9)的头端螺纹连接，三无磁钻杆(10)的头端设有钻头(11)，所述现场主机(1)的信号输出端连接第一应力波信号发射器(4)的信号输入端，现场主机(1)的信号输入端连接第一应力波信号接收器(5)的信号输出端；
所述探头(2)包括探头壳体(2.1)、设置在探头壳体(2.1)内的第二应力波信号发射器(2.2)、第二应力波信号发射器驱动模块(2.3)、第二应力波信号接收器(2.4)、第二应力波信号处理模块(2.5)、单片机(2.6)和三维罗盘(2.7)，三维罗盘(2.7)的数据通信端连接单片机(2.6)的数据通信端，单片机(2.6)的信号输出端通过第二应力波信号发射器驱动模块(2.3)连接第二应力波信号发射器(2.2)的控制信号通信端，单片机(2.6)的信号输入端通过第二应力波信号处理模块(2.5)连接第二应力波信号接收器(2.4)的控制信号通信端；
所述第一应力波信号发射器(4)能与第二应力波信号接收器(2.4)之间进行无线通信，第一应力波信号接收器(5)能与第二应力波信号发射器(2.2)之间进行无线通信。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：所述现场主机(1)包括系统总线(1.1)、中央处理器(1.2)、存储器(1.3)、人机交互设备(1.4)、USB通信接口(1.5)、第一应力波信号发射器驱动模块(1.6)和第一应力波信号处理模块(1.7)，其中，所述中央处理器(1.2)、存储器(1.3)、人机交互设备(1.4)、USB通信接口(1.5)、第一应力波信号发射器驱动模块(1.6)和第一应力波信号处理模块(1.7)的数据通信端分别接入系统总线(1.1)，第一应力波信号发射器驱动模块(1.6)的信号输出端为现场主机(1)的信号输出端，第一应力波信号处理模块(1.7)的信号输入端为现场主机(1)的信号输入端。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：所述第一应力波信号发射器(4)的信号输出端朝向钻杆(3)的头端设置，第一应力波信号接收器(5)的信号接收端也朝向钻杆(3)的头端设置，所述第二应力波信号发射器(2.2)的信号输出端朝向钻杆(3)的尾端设置，第二应力波信号接收器(2.4)的信号接收端也朝向钻杆(3)的尾端设置。
4.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：所述探头壳体(2.1)外壁与第二无磁钻杆(9)内壁固定连接。
5.根据权利要求2所述的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：所述第一应力波信号处理模块(1.7)和第二应力波信号处理模块(2.5)用于对应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理。
6.根据权利要求1所述的煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置，其特征在于：所述第二应力波信号发射器(2.2)和第二应力波信号接收器(2.4)均位于第二无磁钻杆(9)的尾端。
7.一种利用权利要求1所述煤矿井下钻孔无线随钻轨迹和孔深测量装置进行随钻轨迹和孔深测量的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：控制由钻杆(3)、第一无磁钻杆(6)、第二无磁钻杆(9)、第三无磁钻杆(10)和钻头(11)构成的钻孔机构在钻孔(8)内钻进一个深度；
步骤2：现场主机(1)通过第一应力波信号发射器(4)向所述钻孔机构发射应力波信号；
步骤3：探头(2)的第二应力波信号接收器(2.4)接收上述应力波信号，并将该应力波信号发送到探头(2)的第二应力波信号处理模块(2.5)，第二应力波信号处理模块(2.5)对该应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的应力波数字信号传送给探头(2)的单片机(2.6)，单片机(2.6)接收到应力波数字信号后，控制探头(2)的三维罗盘(2.7)工作；
步骤4：所述三维罗盘(2.7)感应得到此时钻孔(8)的方向和倾角数据，并将该方向和倾角数据返回给单片机(2.6)；
步骤5：单片机(2.6)将此时钻孔(8)的方向和倾角数据编码入反馈应力波信号中，并依次通过第二应力波信号发射器驱动模块(2.3)和第二应力波信号发射器(2.2)向第一应力波信号接收器(5)发射；
步骤6：所述第一应力波信号接收器(5)接收到上述反馈应力波信号，并将该反馈应力波信号发送到现场主机(1)的第一应力波信号处理模块(1.7)，第一应力波信号处理模块(1.7)对该反馈应力波信号进行滤波、放大和模数转换处理，并将处理后的反馈应力波数字信号传送给现场主机(1)的中央处理器(1.2)；
步骤7：现场主机(1)的中央处理器(1.2)从反馈应力波数字中解码出钻孔(8)的方向和倾角数据，现场主机(1)的中央处理器(1.2)通过第二应力波信号发射器(2.2)发射反馈应力波信号与第一应力波信号接收器(5)接收反馈应力波信号的时间之差，求出第一应力波信号接收器(5)与第二应力波信号发射器(2.2)之间的距离，所述第一应力波信号接收器(5)与第二应力波信号发射器(2.2)之间的距离加上第二无磁钻杆(9)和第三无磁钻杆(10)以及钻头(11)的长度再减去位于钻孔(8)外的钻杆(3)尾部的长度，即得到了钻孔(8)的深度；
步骤8：现场主机(1)的中央处理器(1.2)将上述得到的钻孔(8)的方向和倾角数据以及钻孔(8)的深度发送给现场主机(1)的人机交互设备(1.4)进行显示；
步骤9：随着钻孔(8)不断钻进的过程中，每隔一定深度距离重复步骤2至步骤8的操作，现场主机(1)的中央处理器(1.2)通过不同孔深对应的钻孔(8)的方向和倾角数据得到钻孔过程中的钻孔轨迹和实时孔深；
步骤10：现场主机(1)的中央处理器(1.2)将钻孔过程中的钻孔轨迹和实时孔深发送给现场主机(1)的人机交互设备(1.4)进行显示。
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